郭家河煤矿综放开采地表岩移参数分析

郭家河煤矿综放开采地表岩移参数分析
赵兵朝;刘阳;贺卫中;李辉;王贵荣;张碧川
【摘要】针对郭家河煤矿大埋深、大采高、地表地形地貌复杂及观测时间长的特点,通过建立地表观测站,结合地表观测成果,计算给出了郭家河煤矿综放开采地表移动变形的相关参数和地表移动时间,同时结合坡体稳定性分析和计算机反演模拟,对求解的概率积分参数进行修正.研究表明:该矿区地表为黄土沟壑区,其坡体的稳定性及滑移附加量对地表岩移参数的求取有较大的影响,尤其是在计算地表下沉系数、地表下沉值及水平移动量时需考虑坡体稳定性和滑移附加量的影响.
【期刊名称】《煤矿安全》
【年(卷),期】2018(049)008
【总页数】4页(P254-257)
【关键词】深部开采;综放开采;地表移动;岩移参数;坡体稳定性
【作者】赵兵朝;刘阳;贺卫中;李辉;王贵荣;张碧川
【作者单位】西安科技大学能源学院,陕西西安710054;西安科技大学能源学院,陕西西安710054;矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室,陕西西安710054;陕西省地质环境监测总站,陕西西安710054;矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室,陕西西安710054;陕西省地质环境监测总站,陕西西安710054;西安科技大学地质与环境学院,陕西西安710054;西安科技大学能源学院,陕西西安710054
【正文语种】中文
【中图分类】TD325+.4
随着煤炭资源的持续开发利用和开采强度的不断加大，浅部煤炭资源逐渐减少，煤炭开采逐渐向深部发展，我国煤矿开采深度平均每年以8～12 m的速度递增，煤矿开采深度由最初的200～300 m逐步发展到深部的700～800 m，伴随着开采规模的持续扩大和机械化水平的不断提升，深部煤炭开采后的地表移动变形的研究逐渐变得具有重要的意义[1]。

郭家河煤矿不仅具有埋深厚、采高大的特点，使得其与一般的地表移动变形规律不同[2-4]。

并且地表存在典型的黄土沟壑区，使得在求取地表移动变形参数时，还要考虑到沟壑区条件下坡体的稳定性以及因此产生的地表移动变形的附加变形量[5-6]。

因此，在对郭家河煤矿1303和1305工作面开采过程中进行地表移动变形观测的基础上，结合黄土沟壑区坡体稳定性和附加滑移量，获得了该地质采矿条件下的地表移动变形参数。

1 郭家河煤矿地表观测站布设
1.1 郭家河煤矿地质及开采概况
郭家河煤矿开采煤层为3#煤层，煤层标高+750～+820 m，埋藏深度为 441～583 m，平均埋深 512 m，基岩厚度407～446 m，上覆黄土与红土厚度33～149 m，工作面平均开采厚度为15 m，煤层倾角1°～10°，为近水平煤层。

矿区地表属沟岭相间的残塬沟壑梁峁相间的复杂地貌类型，山川蜿蜒曲折，绵延不断。

观测区设计的工作面为1303工作面和1305工作面，工作面开采顺序为1303工作面→1305工作面。

1.2 地表观测站布设
结合郭家河煤矿的开采实际情况和地形地貌，观测区共布置了3条观测线，其中沿走向布置了2条观测线（A、B观测线），沿倾向布置了1条C观测线。

A观测线是为了有效地监控1303工作面的地表岩移情况；B观测线位于1303工作面和1305工作面中部，但由于2个工作面呈“刀把型”，走向观测线的半盆地很难进
行监测，所以B观测线仅监控2个工作面开采期间盆地的下沉量；C观测线为了
监测倾斜方面地表的移动变形量，这也是本次观测的重点。

由于受地形地貌及观测条件的限制，观测线A实际布设19个测点、观测线B实
际布设17个测点、观测线C实际布设28个测点。

测点位置具体布设情况如图1。

图1 1303和1305工作面地表观测站实际布设图
2 地表移动变形参数分析
在1303工作面未开采之前，完成地表观测站的布设工作，并进行首次全面观测。

从2012年2月到2015年3月期间，在1303和1305工作面开采期间分别进行12次日常观测工作，并在观测区地表移动变形基本稳定后，于2015年5月10
日进行末次全面观测。

2.1 边界角和移动角
2.1.1 边界角
根据实测资料可知：选取C观测线求取边界角，按下沉10 mm为下沉盆地边界时，边界点位于C28测点附近，量取边界点到1303工作面煤巷上方水平距离
L0=289 m，平均埋深为H=512 m，计算得边界角β0为60.6°。

2.1.2 移动角
移动角可以按照倾斜临界值和水平变形临界值2种计算方式求取，地表水平与倾
斜变形曲线如图2。

图2 地表水平与倾斜变形曲线
1）按照倾斜临界值i=3 mm/m计算时，倾斜边界点位于C25测点附近，从图中量取边界点到1303工作面煤巷上方水平距离L为175.5 m，取平均采深H=512 m，计算移动角β为71.1°。

2）按照水平变形临界值ε=±2 mm/m时，水平变形临界点位于C25、C26测点
之间，量取边界点到1303工作面煤巷上方水平距离为224 m，计算得移动角为
β=66.4°。

2.2 地表移动持续时间
郭家河煤矿地表移动持续的总时间为608 d，总下沉量为914.4 mm，其中地表移动初始启动阶段持续56 d左右，地表下沉量为7.5 mm，占总下沉量的0.8%左右；活跃阶段持续279 d左右，地表下沉量为868.3 mm，占总下沉量的95.0%左右；衰减阶段持续273 d左右，地表下沉量为38.6 mm，占总下沉量的4.2%左右。

地表移动观测到的最大下沉速度为15.10 mm/d，而地表的实际最大下沉速度受
多方面的影响，实际观测是很难观测到的，故实际最大下沉速度应大于15.10
mm/d。

2.3 地表移动参数及概率积分参数
根据实际观测数据进行地表移动变形参数计算分析，得出郭家河煤矿综放开采地表移动变形规律的角值参数（表1）。

表1 地表移动变形的角值参数超前影响角/（°）充分采动角/（°）63.8 63.5 79.4 72.7最大下沉速度滞后角/（°）最大下沉角/（°）
根据现场地表实测数据，结合概率积分法相关参数计算公式，给出了郭佳河煤矿1303单一工作面开采及1303和1305 2个工作面开采的概率积分参数（表2）。

表2 郭家河煤矿工作面开采概率积分参数水平移动系数b 1303工作面1303、1305工作面工作面编号下沉系数η tanβ 拐点偏移距d/H 0.140 0.254 1.74 1.74 0.11 0.11 0.10 0.10
3 地表移动变形参数修正
3.1 计算机反演模拟
由于受观测时间等因素限制，郭家河煤矿1303工作面开采后地表呈现极不充分采动，1303和1305工作面开采后为接近充分采动，为了便于给出相似采矿地质条
件下的地表移动变形规律，根据实测地表移动变形数据并结合概率积分理论和计算
机反演模拟[7-8]，分别给出了郭佳河煤矿极不充分采动的概率积分预计参数和接
近充分采动的概率积分预计参数。

计算机反演模拟求解的概率积分预计参数见表3。

表3 计算机反演模拟求解的概率积分预计参数水平移动系数b 1303工作面1303、1305工作面工作面编号下沉系数η tanβ 拐点偏移距d/H 0.198 0.325 1.77 1.77 0.117 0.117 0.11 0.11
由于1303工作面单一工作面开采后的地表下沉盆地为极不充分采动下沉盆地，地表下沉值小于在该采矿地质条件下的最大下沉值，所以下沉系数较小，通过计算机反演模拟得出其下沉系数为0.198。

而1303与1305工作面开采后地表下沉盆地
接近充分采动下沉盆地，地表下沉值接近最大下沉值，通过计算机反演模拟得出其下沉系数为0.325，在大范围开采后，地表下沉值还会略有增加。

1303与1305
工作面开采的地表下沉等值线如图3。

图3 1303和1305工作面开采地表下沉等值线图
理论预计的变形临界点在C25附近，边界点在C28附近，最大下沉点在C02测
点附近，这与实测数据基本吻合，通过图3的下沉值，对比2个工作面均开采完
后现场最终实测的观测数据，如C02、C03测点现场实测的最终下沉值分别为3 718、3 713 mm，计算机反演模拟的下沉值在3 900 mm左右，可见计算机反演结果与实测数据基本吻合。

但在对比反演数据与实测数据时发现位于坡体附近的观测点理论预计与实测数据有较大出入，如A观测线A04、A05测点。

可见在坡体
附近须考虑坡体的稳定性及滑移附加量。

3.2 坡体稳定性分析
郭家河煤矿地表沟壑纵横，煤层开采时，地表坡体可能会受地下采动影响产生滑移、滑坡现象，导致地表移动变形出现异常[9-10]。

因此，在分析坡体附近的观测数据时，要考虑到坡体的稳定性。

本次观测中，A观测线A04、A05测点位于一坡体上，由观测资料可知：该坡体角度δ=34.5°，表土层厚度h=33 m，土层密度
ρ=1 600 kg/m3，土体的黏聚力C=10 kPa，内摩擦角φ=20°，该坡体的稳定性计算如下：
式中：G为坡体自身稳定性判别系数；δ为坡体的角度，（°）；h为表土层的厚度，m；ρ为土体密度，kg/m3；C为土体的黏聚力，kPa；φ为土体的内摩擦角，（°）。

计算得G=1.46。

当G的取值≥1.0时，坡体自身就不稳定，随着其取值的增加，
坡体自身的稳定性就越差，由此可知，该坡体稳定性较差，易受到采掘活动的影响而发生滑移和滑坡。

坡体滑移引起的附加量计算公式如下：
式中：△w（x）为下沉引起的附加量，mm；G 为坡体自身稳定性判别系数；w （x）为下沉量，mm；u（x）为水平移动量，mm。

本次观测中，A04、A05测点均位于地表坡体之上，理论预计A04、A05测点的
下沉值分别为1 600、1 800 mm，但根据公式计算的坡体下沉附加值分别为1 366.1、2 475.8 mm，最终预计A04、A05测点下沉量为2 966.1、4 275.8 mm，这与实测的2 728.9、4 395.3 mm基本相吻合。

4 结论
1）通过分析郭家河煤矿地表移动观测站的实测数据，给出了郭家河煤矿地表移动变形相关参数。

2）结合计算机反演模拟，给出极不充分采动时地表下沉系数η为0.198；充分采动时η为0.325，tanβ=1.77，b=0.11，d=0.117H，与实测数据基本吻合。

3）研究表明：在分析黄土沟壑区煤层开采地表移动变形规律时，需考虑坡体的稳定性及坡体滑移所产生的附加量。

4）通过坡体稳定性分析及滑移附加量计算，计算结果与实测数据基本吻合，为分
析黄土沟壑区地表移动变形规律提供科学依据。

【相关文献】
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